Development of high-order harmonic generation code using Cuda
GPU üzerinde Cuda'yı kullanarak yüksek harmonik üretimi kodu geliştirmek
- Tez No: 556878
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERDİ ATA BLEDA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Marmara Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 51
Özet
Yüksek-Mertebe Harmonik üretimi (HHG) şiddetli lazer alanı ile hedefin (gaz, plazma, katı) etkileşime geçmesi sonucunda oluşan lineer olmayan bir süreçtir. Süreç ile birlikte oluşan uyumlu harmonikler, ultravioleden soft X-ray bölgesine kadar femtosaniye süresinin altında şiddetli attosaniye atmalar üretmek için bir kaynak olarak iş görebilir. Biz bu tezde öncelikli olarak, tek bir Rydberg atomundan oluşan yüksek-mertebeli harmonik üretimini simüle etmek için iki kod geliştirdik. Geliştirdiğimiz ilk kod sadece tek merkezi işlemci birimi (CPU) izleğinde çalışıyordu; bu tez için geliştirdiğimiz ikinci kod ise simetrik çoklu işlemleme (SMP) mimarisi sayesinde çoklu CPU izlekleri üzerinde başlangıç quantum durumunda tek elektron Rydberg atomunun lazer alanı ile etkileşiminin zaman operatörünü kısmen paralelize ederek çalışabiliyordu. Seri kodumuzu kullanarak yayın kalitesinde sonuçlar elde etmek, ortalama 5 ile 6 saat arası sürmektedir. Diğer bir taraftan aynı simülasyon, paralel kod kullanılarak 2 ya da 2.5 arası sürmektedir. İkinci kod ile tam bir paralelizasyon sağlayamamıza rağmen, bu simülasyonların çalışma süresini grafik işleme üniteleri (GPU) ile daha düşürerek araştırmamızı ilerletmek için sonuçlar oldukça tatmin edicidir. Araştırma amaçlı bilimsel işlemlerde GPU'ların kullanımı, zaten son on yılda şahlanmıştı. Son birkaç yıl gerisine kadar çalıştırmak için çok kompleks olan işlemsel görevler artık GPU'ların gücüyle uygulanabilmektedir. nVIDIA teklonoji şirketi zaten bilimsel hesaplama için Tesla ismi altında grafik kartı serisi geliştirmiştir. Bu kartlar çok yüksek performansta çift hassasiyet hesaplama kabiliyetine sahip binlerce çekirdeğine (CUDA çekirdeği) sahiptir. GPU'ların kullanımı bilim adamlarını sadece komplex işlemsel görevleri yapabilmelerini mümkün kılmaz; ayrıca toplam maliyeti ciddi bir şekilde düşürür. Örnek olarak, bu tezin yazılma süresi sırasında 20 Çekirdek (40 izlek) CPU'nun fiyatı 3,200 Amerikan doları iken 2560 CUDA cekirdekli üst-seviye GPU 550 Amerikan doları civarındadır. GPU'ların yalızım mimarisinin CPU'dan daha farklı olduğununda önemli olduğunu düşünüyoruz. Biz bu tezde GPU üzerinde CUDA kullanarak kısmen parallel çalışan 4 farklı algoritma dizayni uyarladık. Bu tezin ilk kısmında ECC özelliği olmayan GPU'lardaki tekli bit hatalarını inceledik ve sonrasında ise HHG simülasyonları için Üçlü Modüler Artıklık (TMR) metodu üzerine kurulu bir ECC yapısı sunduk. Bu tezin ikinci kısımda ise, ECC özelliği olmayan GPU'lar üzerindeki kernel fonksiyonlarının uyarlamalarını seri çalışan CPU simülasyonu sonuçlarıyla karşılaştırdık. Bu karşılaştırmayı dipol, dipol ivme ve HHG spektrumu sonuçlarını kıyaslayarak yaptık. Bu tezin son kısmında ise farklı kernel fonksiyonu uyarlamaları için HHG simülasyonlarının dalga fonksiyonu ilerleme modüllerinin performanslarını öçtük.
Özet (Çeviri)
High-order Harmonic Generation (HHG) is a nonlinear process that occurs as a result of an intense laser field interacting with a target (gas, plasma, solid). The associated coherent harmonics generated by this process can serve as a source for producing intense attosecond pulses of sub-femtosecond durations extending from the extreme ultraviolet to the soft X-ray region collectively called XUV-region. Prior to this thesis, we have developed two codes to simulate high-order harmonic generation resulting from a single electron Rydberg atom. The first code we developed was running only on 1 central processing unit (CPU) thread (serial version), whereas the second code we developed for this thesis was capable of running on multiple CPU threads in accordance with the symmetric multiprocessing (SMP) architecture by means of partially parallelizing the time propagator of the initial quantum state of the single electron Rydberg atom prior to its interaction with the laser field. It takes approximately 5 to 6 hours of computing time to a get a decent publication quality results using our serial code. On the other hand, the same simulation using the parallel code takes only 2 to 2.5 hours of computing time to get the same results. Although we do not achieve full parallelization with the second code, the results were quite satisfactory to advance our research into reducing the elapsed time for the underline simulations even further by utilizing graphical processing units (GPU). The use of GPUs in scientific computing for research purposes has already taken its leap within the last decade. Computational tasks that are too complex to execute a few years back are now in reach by harvesting the powers of GPUs. Technology company nVIDIA has already developed a series of graphics cards named Tesla just for scientific computing. These cards have thousands of cores (CUDA cores) within themselves, which are capable of handling double precision calculations at very high performance. The use of GPUs not only enables scientists to carry out complex computational tasks, but it also reduces the overall cost significantly. For example, as of the time of writing this thesis, the cost of 20-Core (40 threads) CPU is around 3,200 US$ whereas a mid-grade GPU with 2560 CUDA cores is around 550 US$. We think it is also important to point out that the software architecture of GPU is very different than that of CPU. In this thesis, we implemented the partially parallel algorithm on GPU in 4 different kernel function designs using CUDA. In the first part of this thesis, we investigated the single-bit error on GPUs with no ECC feature and then proposed an ECC scheme for HHG simulations based on Triple Modular Redundancy (TMR). In the second part, the result of each kernel function implementation on no ECC GPU is compared to the results of serial CPU simulations for dipole, dipole acceleration, and HHG spectrum. In the last part, we benchmarked the performance of the wave function propagator components of the HHG simulations for different kernel function implementations.
Benzer Tezler
- Konik sürtünme diskli varyatörün sonlu elemanlar metodu ile analizi
Başlık çevirisi yok
SERKAN YÜRÜK
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SERDAR TÜMKOR
- Comparison of cleaning performances of nanosecond and femtosecond lasers on historical papers
Nanosaniye ve femtosaniye lazerlerin tarihi kağıtlar üzerindeki temizleme performanslarının karşılaştırılması
CANAN YAĞMUR BOYNUKARA
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNAY BAŞAR
YRD. DOÇ. DR. MEHMET FEVZİ UĞURYOL
- Doğrultucularda ve transformatörlerde harmonikler ve sıradışı harmoniklerin incelenmesi
Examination of harmonics and uncharacteristic harmonics in converters and transformers
ÇETİN METİN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1992
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. R. NEJAT TUNÇAY
- Korona boşalmalarının tutuşmasında ve sönümlemesinde yüksek frekans etkisinin deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of high frequency effect on the ignition and damping of corona discharges
İLKER ARI
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSiirt ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FEVZİ HANSU
- Femtosaniye lazer ile işlenen yapıların katıhal lazerlerde uygulamaları ve üst çevrim pompalı Tm3+:KY3F10 lazerleri
Solid-state laser applications of femtosecond laser written structures and upconversion pumped Tm3+:KY3F10 lasers
YAĞIZ MOROVA
Doktora
Türkçe
2021
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDA AKSOY ESİNOĞLU
PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU